(57)【要約】【課題】拡散層に溜まった水を迅速に排出することができ、フラッディング現象が起こり難い燃料電池の電極を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池の電極は、拡散層２と、ガス流路３ｂを形成するセパレータ３とを備えている。拡散層２にはセパレータ３側に向かって開口し、ガス流路３ｂ内を流れる反応ガスの流れ方向に傾斜する排水溝４が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散層と、該拡散層の一面側に積層されてガス流路を形成するセパレータとを備える燃料電池の電極において、
前記拡散層には前記セパレータ側に向かって開口し、前記ガス流路内を流れる反応ガスの流れ方向に傾斜する凹部が設けられていることを特徴とする燃料電池の電極。
【請求項２】
前記凹部は互いに平行に延在する無数の排水溝であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の電極。
【請求項３】
前記排水溝は、互いに平行に延在する無数の第1排水溝群と、該第1排水溝群と交差して互いに平行に延在する無数の第2排水溝群とからなることを特徴とする請求項２記載の燃料電池の電極。
【請求項４】
前記排水溝の傾斜角は前記ガス流路内を流れる反応ガスの流れ方向に対して４０〜７５°とされていることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池の電極。
【請求項５】
前記排水溝の幅は０．１〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか1項記載の燃料電池の電極。
【請求項６】
前記排水溝の深さは拡散層の厚さの２０〜７０％であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか1項記載の燃料電池の電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡散層に溜まった水を容易に排出することができる燃料電池の電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、高分子電解質からなる膜が触媒層で挟まれ、さらにその触媒層の外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体（以下「ＭＥＡ」と称する）を備えている。そして、ＭＥＡの両面はガス流路を形成するセパレータで挟持されて単位セルが構成され、さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側：Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
全反応    ：Ｈ２＋１／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
すなわち、  この固体高分子型燃料電池では、水素がアノード側のセパレータのガス流路に供給され、拡散層を通って触媒層に供給される。そして、触媒層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら触媒層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。
一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成する。
一方、カソード側のセパレータに供給された酸素は、拡散層を介して触媒層に供給され、アノード側から外部回路を経て供給された電子によって還元され、水酸イオンとなり、さらにはオキソニウムイオンと結合して水が生成する。
こうして、固体高分子型燃料電池の内部における電気化学反応によって生じた水は、セパレータのガス流路を流れているガスとともに排出される。
【０００４】
しかし、拡散層内の水の排出が不十分である場合には、拡散層内に水が蓄積されて水浸しの状態となり（フラッディング現象）、反応ガスの拡散が妨げられて燃料電池の出力が低下する。この現象は、水の生成量が多くなる高出力下での駆動時において特に起こりやすいため、燃料電池の高出力化を阻む原因となる。
【０００５】
このような拡散層における水の蓄積による不具合を防止するため、拡散層に排水用の溝を設け、水の排出を促進させる燃料電池の電極の提案がなされている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−３２７３５８号公報  段落番号００４０及び図４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の燃料電池の電極では、拡散層に排水用の溝を設けてはいるものの、排水用の溝に溜まった水を如何にして排出し易くするかということについて、配慮がなされていなかった。このため、排水用の溝からの水の排水が不十分となり、フラッディング現象が生じるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、拡散層に溜まった水を迅速に排出することができ、フラッディング現象が起こり難い燃料電池の電極を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池の電極は、拡散層と、該拡散層の一面側に積層されてガス流路を形成するセパレータとを備える燃料電池の電極において、前記拡散層には前記セパレータ側に向かって開口し、前記ガス流路内を流れる反応ガスの流れ方向に傾斜する複数の凹部が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池の電極では、拡散層に凹部が設けられているため、電極反応によって拡散層内に蓄積された水が凹部に溜まる。かかる凹部はセパレータ側に向かって開口しており、ガス流路内を流れる反応ガスの流れ方向に傾斜しているため、凹部に蓄積された水はガス流路を流れる反応ガスの勢いによって排除される際に、ガス流路まで登りやすくなり、水の排除が促進される。このため、拡散層に溜まった水を迅速に排出することができ、フラッディング現象が起こり難くなる。
【００１０】
凹部の形状としては、セパレータ側に向かって開口し、ガス流路内を流れる反応ガスの流れ方向に傾斜する凹部であれば、特に限定はされない。例えば、互いに平行に延在し、反応ガスの流れ方向に傾斜する排水溝としたり、反応ガスの流れ方向に傾斜する孔を所定の間隔で整列させたりすること等が挙げられる。
凹部を排水溝とした場合には、拡散層内の水の蓄積が多い場所から水の蓄積の少ない場所に誘導されるため、拡散層内の水分量が平均化され、水分の多すぎる場所や少なすぎる場所が生じ難くなるため好適である。
【００１１】
排水溝は互いに平行に延在する無数の第1排水溝群と、該第1排水溝群と交差して互いに平行に延在する無数の第2排水溝群とからなることも好ましい。こうであれば、排水溝どうしのネットワーク化により、ある溝から隣の溝へ水の移行が自由にできることとなる。このため、拡散層内の水分量の平均化がさらに促進されるため好適である。また、従来では排出され難い箇所とされていたリブ下の拡散層であっても、ネットワーク化された溝を伝ってガス流路に対面する位置まで水が移動できることとなり、ガス流路を流れるガスによって迅速に排出されることとなる。
【００１２】
また、排水溝の傾斜角はガス流路内を流れる反応ガスの流れ方向に対して４０〜７５°とされていることが好ましい（この場合、ガスの流れ方向を９０°、ガス流れに対して直角方向を０°と規定した）。この排水溝の傾斜角度は、ガス流れに対して重力方向において下側の側壁でもってその傾斜角度とする。換言すれば、排水溝を構成する側壁は平行でなくてもよい。排水溝の傾斜角が７５°を超えて大きくなると、排水溝のピッチが大きくなりすぎるので好ましくない。以下であれば、凹部に蓄積された水がガス流路を流れる反応ガスの勢いによって排除される際に、傾斜を登り易くなり、水の排除が容易となる。また、排水溝の傾斜角が４０°未満以上であれば、反応ガスの流れによる負圧が排水溝内部まで充分に及ばず、水の排除効率が低下するので、それぞれ好ましくない。排水溝がセパレータからの大きな押圧力を受けたとしても潰され難くなりる。
【００１３】
さらに、排水溝の幅は０．１〜１．０ｍｍであることが好ましいる。排水溝の幅が０．１ｍｍ未満以上であれば、反応ガスの流れによる負圧が排水溝内部まで充分に及ばず、水の排除効率が低下するおそれがある。拡散層に溜まった水をさらに確実に排出することができる。また、排水溝の幅が１．０ｍｍを超えれば以下であれば、リブと拡散層との接触面積はそれほどが小さくなりらないので、セパレータの集電電極としての機能を損なうおそれがある。こともない。
【００１４】
また、排水溝の深さは拡散層の厚さの２０〜７０％であることが好ましい。排水溝の深さがこの範囲であれば、機械的強度の低下も小さく、水の排出も確実となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
拡散層の製造方法
本発明の燃料電池の電極で用いられる拡散層としては、例えばガス透過性を付与するためのフルオロカーボン系ポリマーと、導電性を付与するためのカーボン粉末とを混合したカーボン粉末含有ペーストをカーボンペーパーやカーボン繊維不織布などの基材に塗り込んでシート状に形成したものを用いることができる。あるいは、カーボン繊維不織布等の基材の表面にカーボン粉末含有ペーストを塗って層状に形成したものを用いることもできる。この場合、カーボン粉末含有ペースト層は、基材のセパレータ側及び反応層側のいずれか一方あるいは両方の面に設けることができる。
フルオロカーボン系ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等が挙げられる。
【００１６】
凹部の形成方法
拡散層への凹部の形成方法については、特に限定はないが、例えば上記のようにして作製した拡散層シートの表面から一定の深さまで切断機等によって所定の溝を形成した後、所定の寸法に切断することにより、交差する溝を有する拡散層とすることができる。
また、溝を形成するための別の方法として、カーボン粉末含有ペーストとカーボン短繊維とを練り込んだ混合物を溝形成用の型に入れ、ホットプレス法で固めることにより、溝付の拡散層を成型してもよい。
さらに、ガス拡散層の基材表面にカーボン粉末含有ペーストを層状に形成した電極の場合には、カーボン粉末含有ペースト層のみに凹部を形成することができる。この場合、基材には何ら凹部を設けないので、強度的に有利となる。
また、さらには、凹部の形状を溝ではなく、図１（Ａ）に示すように傾斜した円筒状の孔を並列させたり、図１（ｂ）に示すように、傾斜した角柱状の孔を並列させてもよい。
【００１７】
以下、本発明をさらに具体化した実施例について詳述する。
（実施例１）
図２は実施例１の燃料電池の電極の平面図であり、図３はそのＩＩ−ＩＩ矢視断面図であり、図４はそのＩＩＩ−ＩＩＩＩ矢視断面図である。図３及び図４に示すように、実施例１の燃料電池の電極は、触媒担持カーボンを含有する触媒層１と、カーボン繊維を基材とするに拡散層２と、反応ガスを拡散層２に供給するためのセパレータ３とが積層された構造となっている。セパレータ３の拡散層２側には、互いに平行に延在する無数のリブ３ａがして突設されており、リブ３ａは拡散層２に圧接され、これによってガス流路３ｂが形成されている。
拡散層２にはセパレータ３側に向かって開口する排水溝４が設けられており、この排水溝4は、図３に示すように、ガス流路３ｂ内を流れる反応ガスの流れ方向に対して４５°の角度で傾斜している。また、排水溝４の幅Ｗは０．８ｍｍとされており、深さＤは拡散層２の厚さＴの５０％とされている。
【００１８】
以上のように構成された実施例１の燃料電池の電極では、電極反応によって拡散層２内に溜まった水が排水溝４内に滲み込んで溜まり、その溜まった水はが反応ガスがガス流路３ｂを流れることにより生じる負圧反応ガスの勢いによって排除される。ここで排水溝４は、図３に示すように、ガス流路３ｂ内を流れる反応ガスの流れ方向に対して４５°の角度で傾斜しているため、排水溝４内部の水は排水溝の傾斜を登り易くなり、容易にガス流路３ｂに到達することができる。そして、ガス流路３ｂに到達した水は、反応ガスの勢いによって排除される。このため、拡散層２に溜まった水を迅速に排出することができ、フラッディング現象が起こり難くなる。
さらに、排水溝４の幅Ｗは０．８ｍｍとされており、水の排出のためには充分な幅であるため、排水構４内の水を確実に排出することができる。また、この程度の溝幅であれば、リブ３ａと拡散層２との接触面積はそれほど小さくならないので、セパレータの集電電極としての機能を損なうこともない。さらに、排水溝４の深さＤは拡散層２の厚みＴの５０％とされているため、排水溝４を設けたことによる拡散層２の機械的強度の低下も小さい。
【００１９】
（実施例２）
実施例２の燃料電池の電極は、図５に示すように、拡散層１２に、等間隔で平行に延在する排水溝１４及び排水溝１５が、セパレータ１３側に開口し、互いに直交するように設けられている。セパレータ１３の拡散層１２側には、互いに平行に延在するリブ１３ａが突設されており、リブ１３ａは拡散層１２に圧接され、これによってガス流路１３ｂが形成されている。また、リブ１３ａと排水溝１４及び排水溝１５とは４５°で交差しており、排水溝１４、１５は、既述の排水溝４と同様にガス流路内１３ｂを流れる反応ガスの流れ方向に４５°の角度で傾斜している。
【００２０】
以上のように構成された実施例２の燃料電池の電極では、排水溝１４、１５がガス流路内を流れる反応ガスの流れ方向に４５°の角度で傾斜しているため、排水溝１４及び排水溝１５に溜まった水は、ガス流路１３ｂ内を流れる反応ガスの流れによって迅速に排出される。また、排水溝１４と排水溝１５とが互いに直交するように設けられているため、排水溝どうしのネットワーク化により、排水溝１４と排水溝１５との間の水の移行が自由にできることとなる。このため、拡散層１２内の水分量が平均化がされ、場所による水分量の変化が小さくなる。このため、拡散層１２の全体を適度な水分量に制御することが容易となり、ひいては燃料電池の高出力化が可能となる。また、従来では排出され難い箇所とされていたリブ１３ａ下であっても、ネットワーク化された排水溝１４及び１５を伝ってガス流路１３ｂに対面する位置まで水が移動できることとなり、ガス流路１３ｂを流れるガスによって迅速に水が排出されることとなる。このため、フラッディング現象が起こり難くなる。
【００２１】
（実施例３）
実施例３の燃料電池の電極では、図６に示すように、拡散層２２に、等間隔で平行に延在する排水溝２４と、排水溝２４と４５°の角度で交差し、等間隔で平行に延在する排水溝２５とが設けられている。排水溝２４は拡散層２２の表面から真下へに対して垂直に溝が形成されており、排水溝２５は、既述の排水溝４と同様に、ガス流路２３ｂ内を流れる反応ガスの流れ方向に４５°の角度で傾斜した側壁を有するして溝が形成されている。セパレータ２３の拡散層２２側には、互いに平行に延在するリブ２３ａが突設されており、リブ２３ａは拡散層２２に圧接され、これによってガス流路２３ｂが形成されている。また、排水溝２４の全長はリブ２３ａの延在する方向に対面して設けられている。
【００２２】
以上のように構成された実施例３の燃料電池の電極では、排水溝２５がガス流路２３ｂ内を流れる反応ガスの流れ方向に４５°の角度で傾斜しているため、排水溝１５に溜まった水はガス流路２３ｂ内を流れる反応ガスの流れによって迅速に排出される。また、排水溝２４と排水溝２５とが交差して設けられているため、排水溝どうしのネットワーク化により、排水溝２４と排水溝２５との間の水の移行が自由にできることとなる。さらに、水の溜まりやすいリブ２３ａ下に排水溝２４の全長が対面して設けられているため、排水溝２４に特に水が溜まり易い。こうして、排水溝２４に溜まった水は、交差する排水溝２５を伝ってガス流路２３ｂと対面する位置まで移動して排出されため、水の排水が促進され、フラッディング現象が起こり難くなる。
【００２３】
この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】並列する孔を設けた拡散層の斜視図である。
【図２】実施例１に係る燃料電池の電極の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図４】図２のＩＶＩＩ−ＩＩＩＶ矢視断面図である。
【図５】実施例２に係る燃料電池の電極の平面図である。
【図６】実施例３に係る燃料電池の電極の平面図である。
【符号の説明】
【００２５】
２，１２，２２…拡散層
3，１３，２３…セパレータ
3ｂ，１３ｂ，２３ｂ…ガス流路
４，１４，１５，２４，２５…排水溝（凹部）
１４，２４…排水溝（第１排水溝）
１５，２５…排水溝（第２排水溝）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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